微网协调控制器

一、微电网

1、微电网的定义

微电网是由分布式发电（Distributed Generation，DG）、用电负荷、监控、保护和自动化装置等组成（必要时含储能装置），是一个能够实现内部电力电量基本平衡的小型供用电系统

分布式发电：光伏，风力和生物质能等发电
母线：微电网内部组件的连接线
可控发电机：分为柴油发电机及VSG模式储能变流器（PCS），微电网的黑启动微电源
储能系统：核心是储能电池，储能电池的充放电是通过电池管理系统（BMS）和储能变流器（PCS）进行调整和控制的

2、微电网和大电网关系

微电网运行时一般需要大电网提供功率和备用支撑，保证用户安全可靠供电
微电网通过源网荷储一体化控制能够平抑分布式新能源的随机波动，作为独立主体与大电网进行交易与结算。

3、微电网种类

按运行方式：微电网分为并网型和离网型两类

分类方式	类别
按运行方式分类	并网型；离网型
按电流类型分类	交流微电网；直流微电网；混合微电网
按电网等级分类	低压（400V-1KV）；中压（1-35KV）；高压（35KV以上）
按电网规模分类	小型（<500KVA）；中型（500KVA—6MVA）；大型（>6MVA）

4、储能系统

完整的电化学储能系统主要由：电池组、电池管理系统（BMS）、能量管理系统（EMS）、储能变流器（PCS）以及其他电器设备构成

在储能系统中，电池组将状态信息反馈给电池管理系统BMS，BMS将其共享给能源管理系统EMS和储能变流器PCS；EMS根据优化及调度决策将控制信息下发至PCS与BMS，控制单体电池/电池组完成充放电等

电池管理系统BMS：担任感知角色，主要负责电池的监测、评估、保护以及均衡等
能量管理系统EMS：担任决策角色，主要负责数据采集与转发、网络监控和能量调度等
储能变流器PCS：担任执行角色，主要功能为控制储能电池组的充电和放电过程，进行交直流的变换

二、微电网运行状态

1、并网运行状态

并网运行就是微电网与公用大电网相连（PCC闭合），与主网进行电能交换的运行状态

功能要求（基础）：满足主网并网要求，不参与调节，实现节能降损、不恶化电能质量等控制目标

2、离网运行状态

离网运行又称孤岛运行，是指在主网故障或计划需要时，与主网断开（即PCC断开），微电网独立运行的状态

功能要求：维持电压和频率的稳定（U、F）

3、并网与离网切换

微电网从离网独立运行切换为与主网并网运行就是并网切换
微电网从与主网并网运行切换到离网独立运行就是离网切换

功能要求：维持微网稳定，分为**有缝/**无缝两种切换方式。

4、黑启动

微电网黑启动，就是指在整个微电网因外部或内部故障停运进入全黑状态后，仅通过启动微电网内具有黑启动能力的微电源（柴油发电机和VSG模式储能变流器PCS），进而带动微电网内无黑启动能力的微电源，逐步扩大系统的恢复范围，最终实现整个微电网的重新启动
微电网的黑启动微电源需要在一段时间内能独立、稳定带负荷运行，因此能源供给稳定且微电源动态性能及抗扰动性能好的微型燃气轮机、柴油发电机及VSG模式储能变流器（PCS）均可按照现场具体情况选择作为黑启动电源

5、储能变流器PCS

储能变流器PCS是微电网内部的微电源，其工作模式为：

PQ模式（有功无功控制模式）：维持有功功率和无功功率的平衡（都是通过调节电流I控制）
VSG模式（虚拟同步发电机，Virtual Synchronous Generator）：维持电压和频率的稳定与平衡（维持U和F）
P：表示有功功率，是实实在在被负载消耗的功率，有功功率主要影响系统频率，因为它决定了发电机的机械转速和电能输出与负荷之间的平衡
Q：为无功功率，表示电感或电容这些储能元件所占用的功率，它没被消耗只是占用，无功功率主要影响系统电压，因为它与电力系统中的电压调节和电场维持有关
有功功率控制的主要作用是维持电力系统的频率稳定，无功功率控制主要用于调节电网的电压

三、微电网能量管理系统（EMES）

该系统待开发的高级应用

1、黑启动

微电网黑启动时需要选择具备构网能力的电源做黑启动电源，例如可以使用具备VSG模式的PCS作为黑启动电源

构网能力：发电设备或系统能够在没有外部电网支持的情况下独立运行，并能维持稳定的电压和频率，为负载提供电力

以VSG模式PCS进行黑启动的示例

PCS黑启动前要断开所有负载，避免首台黑启动的一体机无法带动所有负载（负载过多需要多台PCS）
PCS黑启动前闭合交流测开关和高压侧开关是使得PCS带着变压器启动，支撑变压器建立励磁
微网协调控制器向PCS群发黑启动指令，PCS会自动决策选择一台一体机首先启动，带该一体机启动稳定后其他一体机逐台启动

2、联络线功率控制

微电网中的联络线功率控制是通过微电网能量管理系统（MEMS）来实现的

联络线：是并网状态下，大电网与微网连接的那条线上的功率

该功能通过对微网内各种分布式电源、储能装置和可控负荷的控制，协调控制各分布式电源和储能功率，使得联络线功率符合预期设定目标值（预定计划曲线），从而使整个微网对外呈现为一个可调度的电源或负荷

联络线功率（Delivered Power）：计划曲线功率，控制光伏发电的功率和储能设备的充放电调节联络线功率
光伏和风力发电（Wind +PV Power）：EMES控制光伏和风力发电的输出功率
储能SOC（Battery Power）：EMES通过控制储能SOC的充放电调节联络线功率
可控负荷调节：通过可控负荷管理（如需求侧响应），EMS可以在高峰时段调节或削减负荷，降低微电网对主电网的依赖。在负荷低谷时，也可以增加电力需求以消纳多余的发电功率

3、削峰填谷/峰谷套利模块

削峰填谷是电力负荷管理中的一种重要策略（通常在并网模式下），目的是通过调节电力系统中的负荷，减小电网在高峰时段的压力，同时提高低谷时段的用电率，从而实现电力系统的稳定和经济运行

优化策略：根据历史负荷、电池特性、预测出力等数据，对实时采集的负荷功率进行优化，
高峰负荷削减：当微电网或者主电网的负荷接近其峰值时，削峰填谷模块可以通过减少可控负荷（如大型用电设备、空调系统等）的用电量来降低峰值需求
低谷时段电力填充：在电力负荷低谷时段，电价通常较低，削峰填谷模块可以控制储能装置（如电池储能系统）进行充电，利用低价电力为未来的高峰时段做准备。储能设备在电力高峰时放电，减少对主电网的依赖，实现削峰

应用场景：

高电价时段减少用电：当系统检测到电价较高时，削峰填谷模块会自动减少非必要负荷的运行，减少电力成本支出，同时缓解电网高峰时的供电压力
低电价时段增加用电：在电价较低的时段，系统可以增加可控负荷的运行，并对储能设备进行充电，提升电力消纳能力
并网模式下，削峰填谷更多地关注如何提高经济效益和优化电力调度

4、微网经济运行

微网经济运行是指通过优化微网内部各类资源（如分布式能源、储能设备、负荷等）的调度和运行方式，以最低的运行成本、最高的能源利用效率，实现微网的经济效益最大化

1、分布式能源调度

可再生能源（风能、太阳能等）：微网经济运行的核心之一就是优化其调度，最大化其利用率，同时平衡负荷需求和储能需求。在电价较高或负荷较大的时候，优先利用可再生能源发电，减少对外购电的依赖
传统发电：传统燃料发电机，则应当在经济运行中考虑其使用成本与燃料消耗，结合电价及负荷需求合理安排其启动时间

2、储能系统的优化

储能充放电优化：在微网经济运行中，储能系统可以在电价较低或可再生能源出力较高时充电，在电价较高或负荷较大时放电。这样可以最大程度地降低购电成本，尤其是削减峰值时段的电力需求，从而减少高电价的支出

3、负荷管理

微网的经济运行通过需求侧响应，能够根据外部电网的价格信号调节负荷运行。例如在电价高峰时段，削减非关键负荷的运行，减少购电；而在电价低谷时段，可以增加负荷或者储能充电，提高经济效益

4、并网模式

在并网模式下，微网可以与主电网进行电力交换，通过售电、购电等方式实现经济收益。微网在电价低谷时段购电，电价高峰时段卖电，储能设备在这一过程中发挥重要作用

5、AGC控制基本功能

AGC：自动发电量控制，Automatic Generation Control，控制有功功率，维持系统频率的平衡（并网模式）

1、有功功率平衡

AGC根据电网负荷变化和发电出力调整，确保发电和负荷之间的实时平衡。当负荷增加时，AGC通过增加发电机的输出功率（主力）来跟随负荷；当负荷减少时，AGC减少发电机的出力以保持系统稳定
AGC对本区内的发电机的出力进行控制，一般只控制储能系统的充放电（而储能的充放电又通过PCS来调节，只提供短时间的调节）
通过控制有功功率维持系统频率的稳定
有功功率最优分配：指的是依据现有设备情况，设计出最优的算法，对PCS集群有功出力进行分配

2、频率控制

维持系统频率稳定：AGC的首要功能是确保电力系统频率（例如50Hz或60Hz）保持稳定。当电网负荷发生变化时，发电功率需要随之调整，否则电网频率会波动。AGC通过调节发电机输出功率，补偿负荷变化，稳定系统频率
一次调频：当系统频率偏离设定值时，发电机通过调节其输出功率来进行快速响应，称为一次调频。这是一个自动且快速的过程，但一次调频只能临时恢复部分频率，以短时间内恢复频率稳定
二次调频：AGC通过逐渐调整发电机的功率输出，以恢复系统频率到其额定值并维持稳定，这是二次调频。与一次调频不同，二次调频的作用是使系统频率在更长的时间内稳定下来

3、联络线功率控制

控制区域间的联络线功率交换：控制区域之间通过联络线的功率交换，确保其接近预定值，从而维持各区域之间的平衡
执行预定功率计划：联络线的功率交换通常是基于事先的功率交换计划。AGC的作用是自动调整发电机输出，以保证各个区域的功率交换符合计划，避免不必要的功率漂移

4、AGC为什么主要控制发电机组

4.1、发电机是主要的频率调节手段

系统频率是电力系统稳定运行的关键指标，它直接反映了发电与负荷的功率平衡关系
传统发电机组（如火电、水电、核电、柴油等）具备稳定的惯性和持续的输出能力，通过改变功率输出来调节频率

4.2、发电机具备大规模功率调节能力

发电机可以连续且长期提供大功率的调节能力，尤其适用于应对系统级的负荷变化
AGC通过对发电机的控制，在几十秒至数分钟内实现频率恢复和平衡调度

4.3、电力系统惯性支持

发电机的旋转部件（如转子）提供了系统的惯性，能够吸收短时功率波动，延缓频率变化速度。AGC依赖这些惯性响应来维持系统稳定

4.4、发电机运行具备经济性和可预测性

调度中心基于系统负荷和市场电价，优先控制发电机以实现经济性运行。燃煤电厂、水电站等电源可以通过AGC实现最优的发电组合

5、PCS不作为AGC的主要控制目标的原因

5.1、储能系统的成本较高

电池储能的成本较高，不适合大规模、持续性输出功率参与AGC控制。频繁充放电也会缩短电池寿命，因此不适宜将PCS作为主要的频率调节手段

5.2、PCS主要用于短时调节，不适合长期功率输出

*PCS通常用于提供短期快速响应，如**一次调频或瞬态功率补偿**。但其电池容量有限，不适合长期参与系统频率的连续调节
PCS更适合为电网提供几秒到几分钟的快速补偿，而AGC往往需要长期、稳定的输出

6、AGC与二次调频的关系

AGC 是实现二次调频的一种手段或工具，它可以实现二次调频的目标

6、AVC控制基本功能

AVC：自动电压控制，Automatic Voltage Control，控制无功功率，维持系统电压的稳定（并网模式）

母线：微网内部组成成员之间的连接线
SVG：无功功率补偿器

1、实时调节系统电压

维持电压在目标范围内：AVC的核心功能是保持电力系统各个关键节点的电压水平在设定的目标范围内。通过实时监测电力系统的电压状况，AVC自动调整发电机的励磁电流以及无功功率输出，从而控制系统电压
防止电压过高或过低

2、 无功功率调节

控制无功功率的供需平衡：AVC通过调节发电机的无功功率输出或消耗来平衡系统中的无功功率需求。无功功率过多或不足都会引起电压波动，AVC通过优化无功功率的供应，确保电压稳定
优化无功功率分布

3、AVC的关键控制设备

3.1、有载调压变压器（OLTC）

OLTC通过改变分接头位置调节电压，是AVC系统中的核心调压设备

3.2、电容器组和感应器组

电容器组提供无功功率，提升电压；感应器组消耗无功功率，降低电压

3.3、静止无功补偿器（SVC）与静止同步补偿器（STATCOM）

这类设备能够快速调节无功功率，适应动态负荷和新能源的变化

3.4、同步电机

在大型发电厂和工业企业中，AVC可控制同步电机的励磁电流以调节电压

4、为什么AVC一般不控制PCS

4.1、AVC的核心控制对象：变压器、无功补偿设备

AVC通常通过控制有载调压变压器（OLTC）、电容器组、感应器组、以及SVC/STATCOM等来调节电压。这些设备设计之初就具备良好的电压调节能力，适合长期稳定地提供无功补偿

4.2、PCS的无功能力受限

虽然大部分PCS具有提供无功功率的能力，但容量有限。相比于专用的SVC、STATCOM等无功设备，PCS的调节范围较小，长期承担无功调节可能会影响其寿命和效率

四、微网协调控制器高级应用

1、动态调压（离网）

当微网孤岛运行时，逆变器PCS运行在VSG模式，其自身在稳定电压时呈现出Q-V下垂特性，因此由微网协调控制器采集关键点电压，通过PI控制调整变流器/逆变器的电压给定值，从而实现动态调整电压达到预设范围

当微网与主电网断开进入孤岛模式后，电网失去了主电网的电压和频率支撑，PCS则承担了提供电压和频率支撑的主要职责（并网模式下，大电网是大电源，离网模式下，PCS是电源）
虚拟同步发电机（VSG）模式：PCS在VSG模式下运行，通过模拟同步发电机的特性，能够稳定地调节电压。在孤岛模式下，PCS需要独立调节微网中的无功功率，保证电压稳定
调整PCS电压的核心目的是通过无功功率调节，确保微电网电压的稳定性和电能质量

2、紧急调频（并网）

实时检测微网母线频率，当频率异常时，为了避免持续性的有功缺额或过剩，减小对供电负荷的影响，通过快速调节微网内可控电源（主要是PCS）的有功出力，对微网进行紧急频率调节

PCS处于PQ工作模式，说明处于并网模式

流程图解释

首先判断系统频率f是否处于安全频率内
当系统频率f小于安全频率的最小值fsafe_l的情况下，说明系统频率过低，需要增加有功功率或者减小负荷
1. 判断当前处于PQ工作模式PCS的功率与储能系统所能提供的最大放电功率Pdischrg_max的大小（判断是否可以调节储能的放电）
2. 若当前PCS功率小于储能系统所能提供的最大放电功率Pdischrg_max，说明当前pcs还可以提供有功功率，那么就增加PCS的放电功率
3. 反之则，说明PCS提供的有功功率无法维持负载的正常运行，此时必须切负荷（减小微网正常运行所需的最大功率）
当系统频率f大于安全频率的最小值fsafe_h的情况下，说明系统频率过高，需要减小有功功率或者减小光伏发电功率
1. 判断当前处于PQ工作模式PCS的功率与储能系统所能提供的最大充电功率Pchrg_max的大小（判断是否可以调节储能的充电）
2. 若当前PCS功率小于储能系统所能提供的最大充电功率Pchrg_max，说明当前pcs还可以提供充电功率，那么就增加PCS的充电功率或者减少放电功率
3. 反之则，说明PCS提供的充电功率有限，此时必须减少光伏的发电功率!

3、孤岛检测

孤岛检测包括主动孤岛检测和被动孤岛检测

主动孤岛检测：通过向电网施加扰动，如频率偏移法来改变公共点的电压幅值和频率
被动孤岛检测：控制器实时检测接入电网点（PCC）两侧的母线电压和频率以及关键支路的断路器状态，根据《GB/T 33589-2017微电网接入电力系统技术规定》判定孤岛

4、并离网切换

微网的并离网切换需要考虑联络线情况、负荷功率、储能和柴油发电机的配置情况进行设计，下图是储能+柴发的计划性并离网切换流程图

4.1、计划性并网转离网（有充足的时间做调整，可以做到无缝切换）

计划离网过程中有足够的准备时间对联络线功率进行调零后再断开PCC点开关，从而实现无缝的离网切换。

微网控制器MGCC收到并网转孤岛指令后，先比较负载正常运行所需的最大功率Ptotal与储能放电的最大功率Pchrg_max的大小
若Ptotal大于Pchrg_max，说明单单依靠当前的储能系统电池无法满足用户的用电需求，因此需要借助柴油发电机来补充功率
- 当前微电网负载所需功率Pdissel大于柴油+PCS所能提供的最大功率Pdisselmax，只能进行减载操作了
- 当前微电网负载所需功率Pdissel小于柴油+PCS所能提供的最大功率Pdisselmax，判断当前联络线功率是否小于设定值（0），当联络线功率为0的情况下，断开PCC开关，微网离网运行
若Ptotal小于Pchrg_max，说明依靠当前的储能系统电池完全可以满足用户的用电需求，因此不需要借助柴油发电机来补充功率
- 判断新能源提供的功率Pbess与储能支持的最大充电功率Pchrg的大小
- 若Pbess大于Pchrg，说明新能源提供的电太多了，储能消纳不了，就需要限制其出力
- 若Pbess小于Pchrg，那就逐步调节联络线的功率，使其达到设定值（0），PCS切换至VSG模式，微网离网运行

4.2、计划性离网转并网

当微电网收到离网转并网切换指令后，控制微电网与大电网进行同期，当满足同期条件后闭合PCC点开关，实现并网运行。

首先判断主电源是否为柴发
若不是，PCS根据偏移指令调整微电网的电压和频率
- 逐步调整，使其满足同期合闸条件（微电网的电压和频率与大电网的一致）
若是，柴发根据Ubess 调整微电网的电压和频率
- 逐步调整，使其满足同期合闸条件（微电网的电压和频率与大电网的一致）

4.3、非计划性孤岛无缝切换（非计划性并网转离网，没有足够的时间）

如果要实现非计划性孤岛时的无缝切换，可通过配置并离网切换柜实现。储能逆变器检测到非计划孤岛后断开PCC开关并切换为VSG模式，微网协调控制器再进行二次调压和调频

储能PCS通过并离网切换柜检测到母线掉电（并离网切换柜可以实现非计划性孤岛时的无缝切换）
通过SCR切换（三相失压掉电）断开PCC
储能PCS自动切换到VSG模式支撑微网电压（此时微电网已经切换至孤岛模式）
微网协调控制器再检测微网电压和频率进行二次调压和调频，确保微电网离网状态下的稳定运行（二次调压和调频是为了维持微电网的稳定）

非计划离网往往是由于大电网发生故障后，需要快速切断与大电网的连接，这种情况下没有足够的时间做离网切换的准备，因此要实现无缝切换难度更大。如进行有缝的非计划离网切换，则微电网在断开PCC点开关后由微电网主电源能进行黑启动，构建稳定的电压和频率后，再逐步投入分布式电源和负荷，实现离网的运行

5、多电源协调控制（离网）

微网离网后，储能变流器PCS大多数工作在VSG模式，当储能系统电池SOC处于过低或过高状态的电池进行充放电时，可以配置冗余少量的PCS运行在PQ模块对SOC的状态进行调整（根据荷电状态，调整SOC的充放电倍率），使其恢复正常，然后PCS再返回VSG模式

正常工况下控制充放电倍率为Cmin和Cmax之间，紧急工况下充放电倍率可控制为Cemg
基于负荷情况按照各储能系统SOC进行部分逆变器PQ充放电倍率控制

6、低压低频减载

微电网由于有功缺额引起频率下降时，当一次、二次调频都不能阻止频率的持续快速衰减，频率跌落到某设定阈值时启动减载（具体情况还得设计减载方案）

7、离网稳定与经济运行

当微电网离网运行时，保持系统主电源（分布式发电系统或储能系统）运行在经济运行区间，限制电池的充放电次数及充放电功率，同时根据系统运行状态考虑各分布式电源及负荷的投切策略

主电源在其经济运行区间：让主电源在最高效率的负荷点运行，以降低能量损耗，延长设备使用寿命
限制电池充放电次数及功率：
系统运行状态的动态调整：系统需要通过智能控制器或能量管理系统（MEMS）实时监控电源输出、负荷需求、电池状态等信息，根据实际情况动态调整分布式电源、储能系统和负荷的运行状态（实时监控和调整）
分布式电源及负荷的投切策略：在微电网离网状态下，各种分布式电源（如光伏、风电、燃气轮机等）可能会因为天气、时间或负荷需求发生波动

8、平滑分布式电源波动

风光是典型的随机性、间歇性电源，供电可能会带来供电质量问题和电网稳定问题
储能系统具有动态吸收能量并适时释放的特点，能有效弥补风光的间歇性、波动性，改善输出功率和电能质量
平滑分布式电源波动功能利用储能系统针对分布式电源输出功率波动中某一特定频段的波动分量进行补偿，平抑微网内可再生能源的间歇性和波动性，以达到平滑分布式电源输出功率的目的

五、应用场景

1、储能+电网+可再生能源

主要是由于电网不够稳定，或者经济运行的要求；加入储能和新能源作为后备和补充，保证负载供电的稳定

1.1、配置要求

负载的容量应不大于储能PCS的容量
电池的容量取决负载的容量和需要后备时间
光伏组件容量也取决负载的容量和需要后备时间

1.2、并网模式

储能PCS为P/Q的工作模式
光伏逆变器同为P/Q的工作模式

功能：

电压矫正
电流矫正
削峰填谷
保证电池的容量，以便后备

1.3、离网模式

PCS为VSG的工作模式
光伏仍是P/Q的工作模式

功能：后备电源

1.4、切换模式

并网状态下，电网故障，储能PCS由P/Q工作模式切换到VSG工作模式，同时切断与电网的联系
离网状态下，电网恢复，储能PCS调同期后恢复与电网的联系，储能PCS由VSG工作模式切换到P/Q工作模式

2、储能+电网+可再生能源+柴发

主要是由于电网不够稳定，加入储能和新能源作为主要的后备，油机作为最终的后备；或者是用储能保证市电与油机之间的不间断的切换，保证负载供电的稳定

1.1、配置要求

负载的容量应不大于储能PCS的容量
电池的容量取决负载的容量和需要后备时间
光伏组件容量也取决负载的容量和需要后备时间

1.2、并网模式

储能PCS为P/Q的工作模式
光伏逆变器同为P/Q的工作模式

功能：

保证用户供电
保证电池的容量，以便后备

1.3、离网模式

PCS为VSG的工作模式
光伏仍是P/Q的工作模式

功能：后备电源

1.4、切换模式

市电、油机、储能三者之间做切换，所以需要2重切换
离网状态下，电网恢复，储能PCS调同期后恢复与电网的联系，储能PCS由VSG工作模式切换到P/Q工作模式
储能PCS与市电一起工作时，储能PCS为P/Q的工作模式
当市电或油机都不工作，储能PCS为VSG的工作模式
当油机工作时，储能PCS转为P/Q控制；也可储能PCS为VSG工作模式，油机为PQ工作模式

3、储能+可再生能源+柴发

主要没有电网的情况，储能+光伏作为主要的能量来源，油机作为能量的补充，保证负载供电的稳定

1.1、配置要求

负载的容量应不大于储能PCS的容量
电池的容量取决负载的容量和需要后备时间
光伏组件容量也取决负载的容量和需要后备时间
负载的容量应小于油机的容量

1.2、离网模式

PCS为VSG的工作模式
光伏仍是P/Q的工作模式

功能：后备电源

1.3、切换模式

电池和光伏能量充分，储能PCS运行在VSG工作模式
电池和光伏能量不足，储能PCS调同期后恢复与油机的联系，储能PCS由 VSG工作模式切换到P/Q工作模式

4、